活塞冷卻油腔結構變化對活塞溫度場的影響

孫俊花　張創科　于巍

摘 要：為提升活塞油腔對活塞的冷卻效果，采用ANSYS有限元分析法對活塞溫度場進行數值模擬，對活塞頂部燃燒室喉口及活塞第一環槽處兩個重點區域進行分析，并對活塞產生熱應力具有明顯影響的溫度梯度進行同步分析，結果表明，通過改變活塞內冷油腔橫截面形狀，使內冷油腔更加凸向活塞高溫區域，內冷油腔的冷卻效果得到了顯著提升。可見，油腔越靠近溫度高，梯度大區域，其冷卻效果越明顯。

關鍵詞：活塞 內冷油腔 活塞溫度場

Influence of Piston Cooling Oil Cavity Structure on Piston Temperature Field

Sun Junhua，Zhang Chuangke，Yu Wei

Abstract：To improve the cooling effect of the piston oil chamber on the piston， the temperature field of the piston is numerically simulated by ANSYS finite element analysis method， the two key areas at the throat of the combustion chamber at the top of the piston and the first ring groove of the piston are analyzed， and the temperature gradient with obvious influence on the thermal stress produced by the piston is synchronously analyzed. The results show that， by changing the cross-sectional shape of the piston internal cooling oil chamber， the internal cooling oil chamber is more convex to the high temperature area of the piston， and the cooling effect of the internal cooling oil chamber is significantly improved. It can be seen that the closer the oil chamber is to the area with high temperature and large gradient， the more obvious the cooling effect is.

Key words：piston， internal cooling oil chamber， piston temperature field

1 引言

活塞頭部鑄出由封閉圓環構成的冷卻油腔，冷卻油由入口進入冷卻油腔，經循環后由出口流出的冷卻方式被稱作強制振蕩冷卻法，作為柴油機活塞廠家應用最為廣泛的冷卻方式，可有效帶走活塞熱量，被認為是最有效的冷卻方式，因此對活塞冷卻油腔進行優化設計，可以改善活塞外部熱環境，進而提高發動機的使用壽命。

2 內冷油腔影響活塞溫度及其溫度分布的主要因素

2.1 內冷油腔位置和形狀

通過ANSYS對活塞的溫度場進行有限元模擬分析可知，活塞冷卻油腔的位置和形狀對活塞整體溫度場的影響是非常大的。通常，設計內冷油腔的形狀時，面容比應盡可能大，內冷油腔容積小，活塞強度會大幅提高，內冷油腔的容積一定時，冷卻油腔的表面積越大，吸收周圍熱量的能力越強，冷卻效果越好。設計冷卻油腔形狀時，使冷卻機油在油腔內流動為紊流狀態，可達到更好的冷卻效果。設計內冷油腔的位置時，讓油腔盡可能靠近溫度高、溫度梯度大的區域，可有效提高活塞的冷卻效果。

2.2 內冷油腔橫截面面積

活塞冷卻油腔截面積對冷卻效果同樣至關重要，當冷卻油腔較小時，冷卻機油不能在內冷油腔內充分的振蕩實現紊流狀態，會影響冷卻機油的吸熱能力，進而影響散熱效果。冷卻油腔截面積大時，冷卻機油不能充滿整個冷卻油腔，冷卻油腔會產生真空部分，由于真空具有隔熱作用，阻隔熱量傳播，影響冷卻效果，同時，真空部分增加頂部熱量向活塞下半部分的傳遞難度，增加了活塞頂部的熱量積累，影響活塞的可靠性。所以，冷卻油腔的冷卻效果同冷卻油腔的橫截面積并非線性關系，在某一截面積存在最優的冷卻效果。

2.3 冷卻機油的油壓和油量

冷卻油腔中，冷卻機油的油壓和油量同樣會對活塞的冷卻效果產生很大的影響。根據日本研究人員在DMP81Z柴油機上進行的實驗可知，內冷油腔中冷卻機油的油壓在0.6～1.0MPa時，油壓每增加0.1MPa，活塞的整體溫度會下降3～7℃。所以，確定內冷油腔位置形狀和橫截面積后，冷卻機油的油壓也要根據發動機工況調整至合適區間。在強制振蕩冷卻方式中，噴射到冷卻油腔中的冷卻機油量要根據發動機工況決定。

2.4 冷卻機油的供給方式

冷卻機油供給冷卻油腔的方式主要有兩種，第一種是通過連通連桿小頭的冷卻油道直接噴入冷卻油腔，第二種是經由單獨的冷卻系統把冷卻機油供向冷卻油腔。這兩種冷卻機油的供給方式，各有優缺點，第一種冷卻機油供給方式，連桿小頭處的噴油孔直接把機油噴入冷卻油腔中，中間存在開放空間，因此冷卻機油的飛濺不能保證所有冷卻機油都流入冷卻油腔，產生較大的機油損失，且連桿小頭處冷卻機油的噴油量與發動機的工況也有著密切聯系。第二種冷卻機油供給系統與發動機潤滑系統相分離，可以使冷卻油腔內機油的初始溫度處于較低水平，提高冷卻效果。

3 內冷油腔形狀對活塞溫度場的影響

活塞內冷油腔橫截面形狀一般是不規則的，在改變活塞內冷油腔橫截面形狀時，內冷油腔橫截面面積的變化，應在合適的范圍內，不能過大或過小，以免出現真空或者影響冷卻機油流動。改變活塞內冷油腔的橫截面形狀時，可通過形狀的改變，使內冷油腔更靠近活塞的高溫區域，改善活塞冷卻效果。形狀改變的同時，冷卻油腔的換熱面積也會改變，要盡可能增加內冷油腔的面容比，提高活塞冷卻能力。控制其他因素不變，只改變活塞內冷油腔形狀，研究活塞溫度場的變化。

在冷卻油腔初始形狀基礎上，保持橫截面下半部分形狀不變，僅改變橫截面上半部分形狀，活塞內冷油腔的橫截面形狀改變分別如圖1、圖2所示。

研究活塞內冷油腔橫截面形狀變化對活塞溫度場的影響，目的是改善活塞的內冷油腔的結構，優化活塞的冷卻性能，延長活塞的工作壽命，最終得到以下結論：

（1）改變活塞內冷油腔的橫截面形狀，使其更凸向第一環槽和燃燒室，實際上是增加了內冷油腔和活塞高溫區域的換熱面積，換熱面積加大，散熱速率也就提高。同時，改變其形狀，縮短了其與高溫區域的距離，加快了熱量的散失。

（2）當內冷油腔和活塞高溫區域的距離比較接近時，活塞的最高溫度會下降。但距離和溫度的下降并不呈現線性關系，所以，不能使活塞內冷油腔一味的靠近活塞高溫區域，同時，還要考慮活塞的強度問題。

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